級聯式儲能電池組均衡器及其自均衡策略

陳 威 葉少士 劉 冬

作為清潔能源技術在智慧城市中的重要組成應用，分布式微電網的建設和發展一直是國內外研究的重要課題，并在我國已經列入了“十三五”規劃。其中，儲能系統又是微電網系統發展中的重點，特別是作為儲能系統基本單元的串聯電池組的性能優劣，直接決定了整體系統的可靠性和安全性，堪稱是新能源技術能否有效普及的關鍵因素[1-2]。儲能系統電池組性能提升的瓶頸在于：通過各種均衡電路和控制手段，在充放電過程中盡量消除因各電池單體之間性能差異，從而發揮儲能系統最大用容量和整體裝置可用率[3-11]。同時城市環境下的狹小空間和高密度分布的特點，又對儲能系統提出了簡單高效體積小的要求。近年來，屬于節能環保的有源平衡型電池組均衡器取得了長足發展。根據均衡電路所采用的原理不同，有源平衡型均衡器可分為開關電容/電感型和DC-DC變流器型兩種形式[3-7]。一般而言，采用能量雙向流動的DC-DC變流器或反激式變流器，配合電池的荷電狀態(state of charge, SOC)檢測，可有效地將能量由電池組中端電壓或SOC最高的單體電池向最低的單體電池轉移，以達到均衡[9]。但要準確而可靠地獲得電池的 SOC，需附加一系列電池單體傳感器外圍電路和高性能微處理器，從而增加了系統復雜度和整體裝置體積成本[10]，且受限于城市空間的實際使用特點，該技術不利于大面積推廣。并且電池組的SOC估計又與均衡控制策略密切相關，不同的均衡控制策略導致不同的單體最終狀態特性，反過來又直接影響電池組SOC的估計[11]。另外，DC-DC變流器的使用也增加了系統額外效率損耗，影響熱設計和功率密度的提升[7]。

本文提出了一種新穎的非隔離開關電感式級聯電池組均衡器。該均衡器利用簡單的開關管和電感的組合，即可實現能量的雙向流動，而無需復雜的雙向變流器輔助。同時，采用的自均衡控制策略可自動平衡每一個電池單體的電壓，無需采集電池單體參數信息，舍棄了實現復雜控制算法的微處理器和外圍傳感器電路。因而該簡單低成本的均衡器非常適合應用于在城市環境下的分布式微電網的儲能系統中。在給出原理分析的參數設計后，一臺實際樣機證明該均衡器和自主均衡策略的有效性。

1 均衡器電路結構和工作原理

級聯式電池組均衡模塊電路如圖1所示。每一節電池對應一個均衡模塊，該均衡模塊通過 4個MOSFET開關管和一個均衡電感組成H橋，連接至公共均衡電容CB上。電池組中的任意一節電池均可以通過均衡電路模塊和CB進行能量的雙向傳遞，所有的均衡模塊組成級聯形式。等效電路如圖2所示，當電池電壓VB大于電容電壓bCV 時，能量由電池傳遞至 CB；反之，則能量從 CB回充至電池。因此，若將電池組中的相鄰電池依次逐一比較，則強電池的能量經過 CB的中轉和收斂，會逐步傳遞給弱電池，最后達到所有單體之間的互相平衡。圖3和圖4給出了該均衡電路在兩個模塊均衡的具體工作過程。為了保證n位的均衡模塊不影響n+1位均衡模塊的正常工作，需要將 n位均衡電感設置工作在DCM模式，即要將n位均衡模塊的開關管占空比設為不大于0.5。另外對于不同的電池單體，需要分奇偶序數分別開通對應的開關管。下面分別加以分析。

1.1 奇序數電池的能量傳遞

如圖3所示，在時刻t0時，由開關管S11、S13、S21和 S24導通，B1、L1、L2和 CB組成通路。此時L1和L2中的電流iL大小可由下式表示：

圖1 級聯式電池組均衡模塊電路

圖2 均衡模塊等效電路

圖3 奇序數時的能量傳遞過程

在時刻 t1、iL達到峰值，此時開關管 S11和 S13關斷，但 S21和 S24仍保持導通，iL經過均衡模塊 1中開關管的體二極管續流，具體的通路需根據 VB1和bCV 的值而定。當1BV 大于bCV 時，iL經S12和S13的體二極管續流；反之，則經過S11和S14的體二極管。此時iL的大小可由下式表示：

在時刻 t2、iL的電流下降到零，S21和 S24無需關斷，不影響電路狀態。一直到時刻 t3，一個周期結束，S21關斷，電路進入偶序數電池的能量傳遞狀態。

1.2 偶序數電池的能量傳遞

圖4 偶序數時的能量傳遞過程

如圖4所示，在時刻t3時，由開關管S12、S13、S22和 S24導通，B2、L1、L2和 CB組成通路。此時L1和L2中的電流iL大小仍如式（1）所示。

在時刻 t4、iL達到峰值，此時開關管 S21和 S24關斷，但 S12和 S13仍保持導通，iL經過均衡模塊 2中開關管的體二極管續流，具體的通路需根據2BV和bCV 的值而定。當2BV 大于bCV 時，iL經S21和S24的體二極管；反之，則經過S22和S23的體二極管。此時iL的大小仍如式（2）所示。

在時刻 t5、iL的電流下降到零，S12和 S13無需關斷，不影響電路狀態。一直到時刻 t6，一個周期結束，S12關斷，電路進入奇序數電池的能量傳遞狀態。

在上述工作過程中，所有開關管均選用MOSFET，且工作在飽和區，導通壓降可以忽略，即電池和CB之間因半導體器件帶來的電壓差可以忽略，兩者之間可以無限逼近。由此可見，若經過電池組所有單體電池和CB之間能量轉移交換的循環遍歷，則最終可以達到單體電池之間互為相等的均衡狀態。該自均衡過程是完全自發，無需借助外部傳感電路和復雜算法，因而使整體設計大為簡化。

2 參數設計

2.1 電池組單體最終均衡電壓的討論

基于上述原理，在最終均衡狀態時，電池組內單體電池的電壓即等于公共電容CB的最終電壓。但該最終電壓不能簡單理解為所有單體電池初始端壓代數和的平均。由于自均衡的過程實質是系統存儲電量的再分配過程，因此CB在自均衡過程中電壓的變化量才反映了各個電池之間電量重新分配的守恒，即需要滿足下式：

式中，bCVΔ是CB在均衡前后的電壓變化量；ΔQB為電池單體在均衡前后的電量變化量；m表示電量凈流出的電池數；n表示電量凈流入的電池數。然后根據CB在初始狀態下的電壓即可求出終態電壓。但因為要保證均衡電路的正常工作，即均衡電感電流在一周期內必須歸零，顯見 CB的初始值不能太小，一般對于鋰離子電池單體，取標稱值3.6V的預充初始電壓是合適的。

2.2 均衡電感和均衡電容的設計

均衡電感是連接電池單體和均衡電容能量轉換的橋梁，在均衡器中占據核心位置。如上文分析所述，為了保證均衡器的正常工作，在每一周期內均衡電感電流iL必須要回歸至零，即需要工作在DCM模式。假設所有均衡電感的感量一致為 L，則在一個周期內iL的峰值可以表述為

式中，IL_pk為均衡電感的峰值電流；ΔV是當前單體電池端壓和公共均衡電容CB電壓之差；Ton為當前n均衡模塊中的開關管的導通時間。

由電感伏秒積平衡，由式（2）和式（4），易得均衡電感中電流從峰值下降到零所需時間TL_off為

設單體均衡模塊一個開關周期時間為TS，則要保證均衡電感工作在 DCM，必須要滿足 TL_off≤TS-Ton，即有

式中，ΔVmax是電池組中偏差最大的兩個電池單體之間的極差。由式（6）可見，電池組之間的差異越大，Ton時間就需要越小，以保證均衡電感可以工作在DCM模式。但是在實際應用中，電池組之間的極差很小，一般為幾十至幾百毫伏，因此，Ton時間最大值可以取值在一半的開關周期。

由式（4）和式（6）可得均衡電感的平均電流為

可見到達最終均衡狀態時，因ΔV=0，故電感電流為零，即表示均衡模塊能量流動停止。此時若電池組處于靜置不工作狀態，即可停止開關管的工作，以達到靜態損耗的最小化。

對于公共均衡電容CB，為了達到整體系統的快速均衡收斂，其容量應遠小于電池單體的儲能容量。但電容取值的下限又受制于電容一個周期內充放電時的紋波大小，該紋波需要遠小于電池單體端壓和電容電壓的偏差ΔV，以保證能量均衡的順利完成，即有Vripple＜＜ΔV。可得下式：

結合式（5）至式（7），繼而可得

3 實驗波形

為了驗證本文所提方法的有效性，首先構建了一套由兩個電池單體組成的電池組樣機，并加以按圖1所示的均衡電路。為了能夠用示波器抓取關鍵波形，該樣機的電池組單體用大電容的方式模擬以加快均衡進程，方便示波器讀取細節。該樣機的參數見表1。

表1 主要器件參數

圖5給出了該均衡電路的實際運行效果。其中用電解電容模擬的 VB1和 VB2分別被預充至 6V和4V，CB上的電壓被預充至5V，為B1和B2預充電壓代數和的一半。可以看到，在該基本無損的系統中，最終均衡電壓即保持在約5V左右，且和CB的終值電壓相等，即ΔV=0。可見 B1中的高電量已轉移至B2的低電量中去，兩者的能量得以平均，符合式（3）。同時均衡電感中的電流只是在均衡過程中存在，待系統均衡完畢后即降為零，減少了系統的靜態損耗。圖6是在均衡過程中，將圖5中的均衡電感電流加以時間放大。在滿足式（6）和式（9）的條件下，均衡電感內的電流在每一周期內可下降至零，即保證了 DCM 的工作狀態，均衡電路模塊之間不產生互相干擾，使系統正常運行。

為了驗證該均衡電路的實際運行效果，同時還搭建了實際的電池組充電平臺，該平臺由已被放電至截止電壓的4節電池組成。在加以本文所提的均衡電路后，對該平臺進行充電并記錄讀數，以其中的一節電池達到充電截止電壓作為結束時間點。比較均衡電路施加前后的電池一致性。實驗結果如圖7及表2所示。

圖5 均衡器驗證樣機的實際均衡效果

圖6 均衡過程中L1和L2的電流波形

圖7 均衡器在電池組實際充電時的均衡效果

表2 加入均衡電路前后對比

從圖7和表2可知，在未施加均衡電路前，充電完畢時電池組電壓較為不均，電壓極差達到了50mV左右。在施加了均衡電路后，極差可減小至15mV左右，顯著改善了電池組的整體一致性，減小了因單體電池差異帶來的短板效果，延長了裝置的使用壽命。

4 結論

本文提出一種新穎非隔離開關電感式級聯電池組均衡器。該均衡器電路通過簡單的電路構造，即可在電池組單體和一個公共電容之間實現能量的無損雙向流動，進而在電池單體之間互相遍歷，最終即可達到整體狀態均衡。控制方式簡單，無需電池單體外圍傳感器和微處理器，極大地降低了成本，具有經濟優勢。搭建的驗證樣機和電池組充電平臺均驗證了該均衡器的有效性，具有在城市環境下分布式微電網儲能系統中應用的實際工程推廣價值。

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